ITBO960429A1

ITBO960429A1 - Metodo e relativo dispositivo di comando e controllo, in particolare per motori sincroni a megneti pneumatici

Info

Publication number: ITBO960429A1
Application number: IT96BO000429A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Piazzalunga
Original assignee: Tait Srl
Priority date: 1996-08-05
Filing date: 1996-08-05
Publication date: 1998-02-05
Also published as: KR20000029841A; CN1227012A; IT1286191B1; IL128366A0; CZ28699A3; WO1998006167A1; DE69730505T2; ITBO960429A0; DE69730505D1; AU4378397A; CA2262398A1; CN1078769C; RU99104510A; EP0916179A1; TR199900227T2; US6177777B1; PL331345A1; ATE275300T1; ES2229389T3; JP2000515718A

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo:

METODO E RELATIVO DISPOSITIVO DI COMANDO E CONTROLLO. IN PARTICOLARE PER MOTORI SINCRONI A MAGNETI PERMANENTI.

Il presente trovato è relativo ad un metodo e ad un relativo dispositivo di comando e controllo, in particolare per motori sincroni a magneti permanenti.

I motori sincroni sono motori a corrente alternata rotanti ad una velocità fissa detta appunto velocità di sincronismo, dipendente dalla frequenza della tensione di alimentazione e dal numero di poli del motore.

In generale, i motori sincroni sono sostanzialmente costituiti da un rotore avente una corona di poli magnetici, eccitati con corrente continua (induttore) e di uno statore costituito da un nucleo magnetico laminato, nella cui periferia interna è situato, entro cave ricavate nel nucleo, l'avvolgimento indotto collegato attraverso i morsetti alla linea di alimentazione a corrente alternata.

Nel caso particolare dei motori a magnete permanente l'induttore è costituito da un magnete permanente, in generale alnico o ferrite magnetizzata, anziché da poli eccitati con corrente continua.

Attualmente i piccoli motori sincroni a magneti permanenti vengono utilizzati in numerose applicazioni in virtù della loro semplicità e del basso costo e vengono solitamente utilizzati per piccole potenze.

Il motore sincrono presenta però alcune particolarità che ne condizionano negativamente l'impiego. Tn primo luogo, l'impossibilità di prevedere il verso di rotazione all'avviamento; inoltre, la coppia di spunto offerta è sostanzialmente debole, rendendo a volte difficile 1'avviamento anche in presenza di carichi relativamente modesti.

Per ovviare a questo inconveniente, sono stati messi a punto numerosi dispositivi, che però risultano essere particolarmente complessi e costosi, tali quindi da non essere convenientemente utilizzabili in motori che devono avere un costo contenuto, come, ad esempio, quelli destinati a pompe o dispositivi similari.

In molti casi, l’utilizzo di questi sistemi comporta modifiche strutturali del motore, rendendone impossibile l'utilizzo sulla normale produzione di serie.

’ Scopo del presente trovato è di permettere ravviamento di un motore sincrono selezionando il verso di rotazione preferito e fornendo una elevata coppia di spunto- Tali caratteristiche sono ottenibili per .mezzo di un dispositivo, di tipo elettronico, particolarmente semplice ed economico e che impiega un microcontrollore opportunamente programmato. Questa soluzione permette di contenere al massimo l'impiego di componenti esterni discreti, a tutto vantaggio della semplicità circuitale, dell'affidabilità e dei costi.

Tra i vantaggi del presente trovato, sono da evidenziare le seguenti caratteristiche, elencate a titolo esemplificativo e non limitativo.

Con il metodo ed il relativo dispositivo in oggetto è possibile ottenere ima variazione di velocità su un motore sincrono tramite una variazione di frequenza con passaggio graduale dalla velocità del motore fino ad una velocità preimpostata. Questo è ottenuto con un tempo rampa calibrato (in funzione delle caratteristiche del motore) in modo da mantenere il sincronismo.

Si può eseguire una correzione dell’induzione su statore tramite una curva preimpostata su Eprom del microcontrollore (detto anche pcontroller nel prosieguo della descrizione).

E’ possibile implementare varie tipologie di curve selezionate automaticamente dal microcontrollore tramite un software dedicato, in base alle condizioni di lavoro del motore, ad esempio in funzione del carico, del tempo necessario al raggiungimento di una determinata velocità, ecc..

In altre parole, nel μcontroller è residente un software contenente le informazioni necessarie alla definizione della curva più idonea alle condizioni di esercizio del motore.

Viene eseguito un controllo sulla corrente statorica per la correzione della curva di induzione e per la salvaguardia del magnete permanente.

E’ prevista una procedura di lancio ed una preimpostazione tramite corrente continua modulata in modo da evitare una smagnetizzazione del magnete rotore.

Inoltre, viene eseguito un controllo del senso di rotazione e della posizione del motore tramite sensori.

Le caratteristiche tecniche del trovato, secondo i suddetti scopi, sono chiaramente riscontrabili dal contenuto delle rivendicazioni sotto riportate ed i vantaggi dello stesso risulteranno maggiormente evidenti nella descrizione che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati, che ne rappresentano una forma di realizzazione puramente esemplificativa e non limitativa, in cui:

- la figura 1 illustra un esempio schematico di realizzazione di un motore sincrono a magneti permanenti;

- le figure 2, 3 illustrano possibili esempi di schemi circuitali relativi a dispositivi per il comando ed il controllo di motori sincroni in accordo con il presente trovato;

- le figure 4, 5 illustrano possibili schemi di diagrammi di flusso relativi a metodi per il comando ed il controllo di motori elettrici in accordo con il presente trovato;

- le figure 6, 7 illustrano, rispettivamente, un ulteriore esempio di uno schema circuitale relativo al dispositivo in oggetto ed un diagramma relativo a possibili forme d’onda utilizzabili per il controllo ed il pilotaggio del motore.

In figura 1 è schematicamente rappresentato un motore sincrono, contrassegnato con 1 nella sua totalità. Il motore 1 comprende un rotore a magneti permanenti 4, disposto tra le espansioni polari 3, sulle quali sono agenti relativi avvolgimenti di eccitazione 2. Per eseguire delle rilevazioni sul rotore 4, è previsto almeno un sensore di posizione 5, ad esempio ad effetto Hall. Ovviamente possono essere previsti più sensori (ad esempio due come quelli indicati con SI ed S2 in figura 6) e gli stessi possono essere previsti di altro tipo purché idonei a rilevare il posizionamentospostamento del motore.

Uno dei possibili esempi di realizzazione del trovato prevede, analogamente a quanto illustrato in figura 2, l'utilizzazione di un circuito a microprocessore 7 (detto anche microcontrollore 7 o μcontroller 7 nella presente descrizione) elettricamente collegato al circuito di alimentazione 8 del motore (contrassegnato con M nelle figure 2 e 3), in corrispondenza di relativi punti di connessione 9 ed a valle di un alimentatore 6.

Nell'esempio illustrato, il circuito a microprocessore 7 risulta collegato al sensore di posizione ad effetto Hall 5 ed a un componente di tipo TRLA.C 10, disposto, ad esempio, in serie agli avvolgimenti dello statore. Il microcontrollore 7 può essere provvisto di, o collegato a, un deviatore (non illustrato nelle figure), in modo da impostare preventivamente il senso di rotazione desiderato.

Nell’esempio di figura 3, sono previsti, in alternativa al dispositivo TRIAC, una serie di componenti 11 di tipo MOSFET.

Il metodo per il comando ed il controllo del motore sincrono può essere schematicamente suddiviso in una procedura di lancio ed in una procedura di controllo di coppia.

La procedura di lancio, che è schematicamente descritta dal diagramma di flusso di figura 4, in particolare nella prima parte del diagramma medesimo, può anche essere impiegata come procedura indipendente da procedure successive, ovvero solo per avviare il motore nel verso di rotazione desiderato. In tale procedura è prevista un alimentazione dello statore per mezzo di una tensione alternata a 50 Hz caratterizzata da una componente continua, il cui valore efficace porta il rotore a posizionarsi nella direzione desiderata. La polarità della componente continua dipende dal verso di rotazione prescelto. Il sensore di posizione 5 è in grado di segnalare al microcontrollore 7 l'avenuto allineamento del rotore 4, in modo da applicare tempestivamente la tensione alternata simmetrica a 50 Hz in fase, avviando così la rotazione nella direzione prescelta.

Terminata la procedura di avviamento è possibile intervenire per migliorare la coppia, intrinsecamente debole, del motore sincrono. Per mezzo del sensore di posizione 5 descritto in precedenza, ogni 180° di rotazione, viene rilevato lo sfasamento del rotore in accelerazione verso la velocità di sincronismo, rispetto alla frequenza di rete.

Proporzionalmente a tale sfasamento, il microcontrollore 7 invia allo statore una serie di onde asimmetriche con una componente continua di opportuna polarità (vedi diagramma di flusso di figura 3). In questo modo si ottiene una coppia di avviamento molto elevata, di entità pari a 1,5 ÷ 2 volte la coppia nominale in sincronismo.

Con particolare riferimento a quanto illustrato in figura 4, il metodo può prevedere perciò una prima fase nella quale si ha un controllo del posizionamento ed un inserimento della componente asimmetrica corrispondente al senso di rotazione desiderata. Successivamente, in base ad un controllo dello spostamento, come rappresentato dal simbolo di decisione di figura 3, è previsto un inserimento della semionda successiva corrispondente al senso di rotazione o, in alternativa, una ripetizione dell'inserimento della componente asimmetrica corrispondente al senso di rotazione.

Per particolari applicazioni che richiedono coppie di avviamento ancora più elevate, è possibile impiegare in sostituzione del TRIAC 11 un interruttore statico caratterizzato dalla possibilità di definire perfettamente la polarità dei treni d'onda applicati, in modo da raggiungere valori pari a 10 volte la coppia nominale in sincronismo. Per mezzo di questa ultima configurazione, invece di operare con la tensione alternata di rete, ma modulando una tensione continua (analogamente a quanto previsto nel diagramma di figura 5), il microcontrollore 7 è altresì in grado di variare a comando la velocità di sincronismo, generando una tensione alternata di frequenza opportuna. In questo modo, diventa possibile regolare i valori di coppia e velocità di qualunque motore sincrono, variando i medesimi entro i limiti meccanici del motore stesso, anche in presenza di un carico variabile.

Durante la procedura di lancio e la rotazione fuori dalla velocità di sincronismo, la corrente assorbita dallo statore risulta 1,5 ÷ 2 volte la corrente nominale. In caso quindi di bloccaggio o di andamento prolungato fuori dalla velocità di sincronismo, il motore viene controllato in modo intermittente dal microcontrollore, con ciclo di funzionamento (duty-cycle) di valore prestabilito in modo da non portare l’avvolgimento statorico fuori dalla sua classe di temperatura.

Con particolare riferimento al diagramma di flusso di figura 5, si ha un primo processo relativo al controllo del posizionamento con scelta della velocità e del verso di rotazione. Si ha quindi un inserimento di corrente continua con polarità selezionata in base al valore letto. Successivamente, in base al controllo dello spostamento, si provvede al'inserimento di una sinusoide a frequenza inferiore a quella selezionata, oppure si ripete rinserimento di corrente continua di cui al passo precedente.

La fase di inserimento di una sinusoide a frequenza inferiore a quella selezionata viene seguita da un controllo del blocco motore: con bloccaggio si ha uno spegnimento del motore e l'attivazione di un temporizzatore che mantiene il motore in questa configurazione per un periodo prestabilito (ad esempio 10 secondi come nel diagramma illustrato); in assenza di bloccaggio si passa ad un controllo della posizione. Se il controllo della posizione dà esito negativo, si provvede ad una ripetizione della sinusoide selezionata con ampiezza ridotta; se l'esito del controllo è positivo, si avrà invece un inserimento di una sinusoide successiva con frequenza crescente fino al raggiungimento della frequenza selezionata.

In altre parole, un dispositivo realizzato in accordo con il presente trovato, prevede l’utilizzo di un microcontrollore 7 programmabile (ovvero nel quale è previsto un software residente dedicato) in abbinamento ad un sensore di posizione 5 del rotore. Il microcontrollore 7 è in grado di modulare la tensione alternata di rete applicando componenti continue in modo da correggere l'allineamento magnetico del rotore 4 permettendone l'aviamento nella direzione preferita. L'avvolgimento di statore viene alimentato per mezzo di almeno un interruttore statico in serie con la tensione di rete, pilotato direttamente dal microcontrollore 7. In alternativa, possono esser previsti componenti di tipo TRIAC 10 o MOSFET 11 o di altro tipo (ad esempio di tipo IGBT o transistori bipolari) in corrispondenza del rotore 4.

Con il presente dispositivo (e con il relativo metodo) è consentito lincremento della coppia durante il raggiungimento della velocità di sincronismo per mezzo di opportuni treni d'onda di polarità adeguata, applicati all'avvolgimento di statore, sovrapposti alla tensione alternata di rete.

L’alimentazione dell'avvolgimento statorico 2 può essere prevista una tensione continua opportunamente modulata per mezzo di interruttori statici unipolari, in grado di regolare il verso di rotazione all’avviamento, i valori di coppia e di velocità di sincronismo del motore sincrono.

Per il rilevamento della posizione del rotore 4 possono essere utilizzati, come detto anche in precedenza, due sensori di posizione, disposti in modo tale da poterne determinare con precisione la posizione anche in caso di blocco momentaneo durante la rotazione alla velocità di sincronismo; questa particolarità risulta utile per riavviare correttamente la rotazione nello stesso senso per mezzo di opportune componenti continue sovrapposte alla tensione alternata di alimentazione.

Inoltre, può essere prevista una limitazione della corrente massima assorbita dallo statore 4 durante la procedura di avviamento o durante la rotazione al di fuori della velocità di sincronismo, per mezzo di una opportuna modulazione del ciclo di funzionamento (duty-cycle) dell'onda applicata, in modo da proteggere l'avvolgimento statorico 2 da sovraccarichi.

Venendo all’esempio di cui alle figure 6 e 7, sono previsti quattro componenti di tipo MOSFET, indicati con 11 nel disegno principale e comandati dal μcontroller 7 tramite una corrispondente logica driver. Sono quindi definiti quattro driver contrassegnati con A, B, C, D. In figura 6, nei particolari racchiusi da cerchi, sono indicate possibili alternative ai MOSFET, come componenti di tipo transistore 11 e di tipo IGBT 11".

Tra i driver A, B, C, D ED il pcontroller 7, nella parte inferiore del disegno di figura 6, è illustrato un blocco 7' che rappresenta il componente di supporto della logica driver.

E rappresentato con 71 il collegamento di feedback di corrente tra circuito del motore e pcontroller 7; tale controllo della corrente statorica consente una correzione della curva di induzione e la salvaguardia del magnete del motore.

Il pilotaggio degli interruttori statorici viene eseguito, preferibilmente, secondo le forme d’onda illustrate nell’allegato schema di figura 7, dove sono descritte le forme d’oda inviate dai vari driver, nonché dalla logica driver, in funzione delle velocità del motore.

I valori di corrente non sono legati linearmente ai valori della velocità, ma sono legati da una curva particolare che viene memorizzata nella EPROM del μ controller 7; in pratica, nel pcontroller 7 è residente un software dedicato nel quale è prevista una serie di curve relative a differenti situazioni operative di possibili motori da controllare e comandare con il dispositivo in oggetto.

In sintesi, il dispositivo in oggetto permette un controllo totale dei motori sincroni per quanto riguarda il verso di rotazione, la coppia e la velocità di sincronismo, grandezze regolabili indipendentemente e separatamente a seconda delle applicazioni, permettendo al motore sincrono una vasta gamma di applicazioni attualmente non possibili, mantenendo le caratteristiche di semplicità, economicità ed affidabilità tipiche della tecnologia di tali motori.

Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, sia per quanto riguarda caratteristiche costruttive che successioni di fasi relative a diagrammi di flusso, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo. Inoltre, tutti i dettagli possono essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il comando e controllo di motori elettrici, in particolare per motori sincroni a magneti permanenti alimentati da una corrente alternata erogata da una rete di alimentazione (8) e comprendenti un rotore (4) a magnete permanente ed uno statore (3) provvisto di relativi avvolgimenti di eccitazione (2), caratterizzato dal fatto di prevedere, per l'alimentazione di detto statore (3), la modulazione della tensione alternata di rete applicando alla medesima, tramite mezzi a microprocessore (7), una componente continua così da correggere l'allineamento magnetico di detto rotore (4).
2. Metodo per il comando e controllo di motori elettrici secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere di: - rilevare, nella fase di accelerazione del motore con la quale lo stesso di porta verso la velocità di sincronismo, lo sfasamento di detto rotore (4) rispetto alla frequenza di rete; - inviare, in funzione dello sfasamento rilevato, una serie di onde asimmetriche ovvero treni d’onda di polarità prestabilita a detti avvolgimenti (2) di detto statore (3), utilizzando mezzi a microprocessore (7) provvisti di o collegati a mezzi di deviazione, in modo da impostare, preventivamente all'accensione, il senso di rotazione desiderato.
3. Metodo per il comando e controllo di motori elettrici secondo la rivendicazione l, caratterizzato dal fatto di prevedere le seguenti fasi successive: a) controllo, tramite mezzi sensori (5), previsti disposti ed agenti in corrispondenza di detto rotore (4), del posizionamento del rotore (4) medesimo; b) inserimento di una componente asimmetrica corrispondente al senso di rotazione desiderato; c) controllo dello spostamento del rotore (4), con passaggio alla fase successiva in caso di rilevamento positivo e con ritorno alla fase b) in casso di rilevamento negativo; d) inserimento di una semionda successiva corrispondente al senso di rotazione.
4. Metodo per il comando e controllo di motori elettrici secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere le seguenti fasi successive: a) controllo del posizionamento di detto rotore (4), scelta della velocità e del senso di rotazione; b) inserimento di una componente continua con polarità selezionata in base al valore rilevato durante il controllo della fase precedente; c) controllo dello spostamento del rotore (4), con passaggio alla fase successiva in caso di rilevamento positivo e con ritorno alla fase b) in casso di rilevamento negativo; d) inserimento di una sinusoide a frequenza inferiore di quella selezionata nella fase a); e) verifica del funzionamento di detto rotore (4), ovvero controllo di un suo eventuale bloccaggio, con passaggio alla successiva fase f) in caso di bloccaggio avvenuto e passaggio alla fase g) in caso di assenza di bloccaggio; f) spegnimento di detto motore (1) per un periodo prestabilito e successivo passaggio alla fase a); g) controllo della posizione del rotore (4), ovvero del raggiungimento della posizione desiderata, con passaggio alla fase successiva con posizione corretta e con ripetizione dell’inserimento della sinusoide selezionata con ampiezza ridotta in caso di posizione non corretta; h) inserimento di una sinusoide successiva con frequenza crescente fino al raggiungimento della frequenza selezionata.
5. Metodo per il comando e controllo di motori elettrici secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di incrementare la coppia durante il raggiungimento della velocità di sincronismo per mezzo di opportuni treni d'onda di polarità adeguata, applicati all'avvolgimento (2) di statore sovrapposti alla tensione alternata di rete.
6. Metodo per il comando e controllo di motori elettrici secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dai fatto di prevedere l’impiego, per lalimentazione dell'avvolgimento statorico (2), di una tensione continua opportunamente modulata per mezzo di interruttori statici unipolari, in grado di regolare a comando il verso di rotazione all'awi amento, i valori di coppia e di velocità di sincronismo del motore sincrono (1).
7. Metodo per il comando e controllo di motori elettrici secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere l'impiego di due sensori di posizione del rotore (4), disposti in modo tale da poterne determinare la posizione anche in caso di blocco momentaneo durante la rotazione alla velocità di sincronismo, in modo di poter riavviare correttamente la rotazione nello stesso senso per mezzo di opportune componenti continue sovrapposte alla tensione alternata di alimentazione.
8. Metodo per il comando e controllo di motori elettrici secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di prevedere una limitazione della corrente massima assorbita dallo statore (3) durante la procedura di avviamento e/o durante la rotazione al di fuori della velocità di sincronismo, per mezzo di una opportuna modulazione del ciclo di funzionamento dell'onda applicata, in modo da proteggere l'avvolgimento statorico (2) da sovraccarichi.
9. Metodo per il comando e controllo di motori elettrici secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che su detti mezzi a microprocessore (7) è residente un software dedicato atto a selezionare automaticamente una curva, utilizzabile nell'alimentazione di detto statore (3), in funzione delle situazioni operative del motore.
10. Dispositivo per il comando e controllo di motori elettrici, in particolare per motori sincroni (1) a magneti permanenti alimentati da una tensione alternata fornita da una di rete di alimentazione (8) e comprendenti un rotore (4) a magnete permanente ed imo statore (3) provvisto di relativi avvolgimenti di eccitazione (2), caratterizzato dal fatto di essere costituito da un sensore di posizione (5) agente su detto rotore (4) e da mezzi di controllo (7) programmabili, disposti tra detta rete (8) e detto statore (3), collegati a detto sensore di posizione (5), atti a modulare la tensione alternata di rete mediante l'applicazione a detta tensione alternata di componenti continue, così da avviare la rotazione secondo un senso prestabilito funzione della polarità di detta componente continua.
11. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto sensore di posizione (5) è del tipo ad effetto Hall.
12. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto di prevedere, disposto ed agente tra detti mezzi di controllo a microprocessore (7) e detto motore (M) almeno un componente di tipo TRIAC (10).
13. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto di prevedere, disposto ed agente tra detti mezzi di controllo a microprocessore (7) e detto motore (M) almeno un componente di tipo MOSFET (11).
14. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto di prevedere, disposto ed agente tra detti mezzi di controllo a microprocessore (7) e detto motore (M) almeno un componente di tipo IGBT.
15. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto di prevedere, disposto ed agente tra detti mezzi di controllo a microprocessore (7) e detto motore (M) almeno un componente di tipo transistore bipolare.
16. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto di prevedere, disposti ed agenti tra detti mezzi di controllo a microprocessore (7) e detto motore (M), quattro componenti di tipo MOSFET (11), collegati a e/o comandati da detti mezzi di controllo a microprocessore (7) per il tramite di un componente di supporto (7’) di logica driver.
17. Dispositivo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di controllo a microprocessore (7) sono provvisti di una memoria di tipo EPROM nella quale è residente un software dedicato e comprendente una serie di curve di pilotaggio di interruttori statorici (11) previsti agenti su detto motore (M).
18. Metodo e dispositivo per il comando ed il controllo di motori elettrici secondo le rivendicazioni precedenti e secondo quanto descritto ed illustrato con riferimento alle figure degli uniti disegni e diagrammi e per gli accennati scopi.